CAE技术在叉车产品研发中的应用

作者：张玉 袁正

欢迎访问e展厅 展厅 2 CAE/模拟仿真展厅 通用有限元分析软件, 结构分析软件, 动力学分析软件, 声学分析软件, 板料冲压成形模拟软件, ... 1 CAE技术的应用现状 CAE技术在航空航天、船舶、轨道交通及汽车等行业中已经进入工业化应用阶段，随着用户对产品综合性能要求的不断提升，CAE技术已经从军工产品的应用逐步转向民品的工业化应用：如工程机械行业、家电行业、模具行业、手机IT行业等。从零部件的结构强度分析、结构优化、疲劳寿命到整车的NVH和多体动力学仿真等等，很多公司都拥有了自己的应用规范和仿真分析流程，多数拥有了为自己产品专门进行二次开发的CAE软件或模块，叉车及工业车辆领域相比汽车等行业起步较晚，应用也不广泛。国内更是如此。到目前为止我国叉车及工业车辆产品的研发仍以逆向式的开发为主，基于CAE技术的正向产品开发的能力还相对比较薄弱，企业的CAE应用水平普遍较低。随着企业信息化平台建设的进一步深化，目前公司已建成涵盖NVH、结构、优化、成型数值仿真及多体动力学仿真等几个主要的CAE仿真平台。 2 存在问题及原因探究 尽管CAE技术能解决许多传统设计不能解决的问题，能提前对所设计的产品进行强度/耐久性等特性预测，能有效地保证产品的可靠性，能给企业带来巨大的回报，但叉车行业是个高速发展的行业，叉车的相关技术更新较快，面对国内外激烈的竞争市场，按正常的管理开发程序，很多事情都会被耽误。中国的企业更偏爱先攻占市场，再以服务保市场的战略，对靠利润生存的企业来说，花几十万甚至几百万买软件来构建虚拟仿真平台是不太现实的事情，更何况买了软件硬件并不能立即产生效益。目前也有不少企业已经购买了相关的软硬件，但买回来后依然是束之高阁，基本发挥不了预期的作用。之所以出现这种现象，笔者认为有以下几方面原因：首先，对CAE本身的深度还缺乏一定程度的认识。或许在一般人的思维里，认为CAE和CAD差不多，是很容易短期速成的东西，认为硬件配套与CAD设计软件没什么太大区别，因而忽视了后期硬件资源的继续投入。其实CAE和CAD有很大的不同，CAE是CAD的前端技术，CAE技术对工程人员的自身素质有较高的要求，它不仅要求工程人员有深厚的数学、力学、有限元等方面的理论知识，还要对所应用行业有深刻的理解和丰富的应用经验，同样的物理模型，不同的CAE工程分析人员来做，可能会有差别很大的分析结果，同样硬件设备直接影响到仿真分析的效率和精度。因而，要建成CAE仿真分析平台需要软件和硬件的双重投入，认识很重要，要做好长期投资的心理准备。 另一方面，对CAE工作来说，企业必须建立合理的人才培养机制来开展相关工作，人力资源是企业赖以生存的长远动力，企业领导应当给予足够的重视来发展和推动CAE方面的相关工作的开展，要做到这一点，企业必须要开展定期或不定期的培训工作，提高员工对CAE工作的认知水平，减少对CAE工作的误解，确立在产品开发中必须运用CAE技术以提高产品质量的理念，真正走出自主创新之路，尽管这条路有点长，可对企业的技术人员来说，这条路是必须要走的，目前公司内的CAE技术的应用广度和深度还远远不够，广大的工程技术人员理应担当起这个责任，当然企业也可以采取一定的激励措施，强有力的高素质人才是企业发展的不竭动力。另外造成CAE技术没有普遍应用的一个问题就是软件自身的问题。现有的CAE模型不能和CAD模型无缝链接，不能同步保持更新，一旦CAD模型有所更改，对应的原CAE模型的网格将不可用，也就是说CAE模型并不能随着CAD的更改而做相应更改，新的CAD模型的分析工作需要重新进行，但单调重复的分析工作往往要耗费大量的时间和精力，是一种浪费。 3 前景 对于叉车这样复杂的多体系统来说，很多动力学指标按照传统设计计算方法是无法获取的，而CAE技术恰是解决类似问题的最佳手段，所以未来CAE技术将作为一个平台更加深入地运用到叉车工业上将是必然。尽管目前存在各种各样的问题，但把CAE技术应用到设计领域中，以指导产品的开发工作在未来将是不争的事实。 3.1 在设计前期引入CAE技术的意义 在激烈的市场竞争压力下，产品从概念设计到出成品的时间越来越短，设计后期发现的任何设计缺陷都可能推迟新产品的适时推出，并可能大幅度提高产品的成本。因此越来越多的企业已经意识到在设计前期发现并修改设计缺陷的重要性。 图1表示了在产品形成的不同过程中修改设计的成本，从图中可见，若在详细设计阶段发现错误并进行修改的成本是x，则在生产阶段发现错误并进行修改的成本将是l00x。 图2表示的是产品形成过程中质量的重要性，从图中可见，75％的错误发生在设计阶段，而这些错误的80％是在制造阶段发现并改正的，这一发现错误、改正错误的滞后，就带来了生产成本的巨大增加。因此需要尽早发现错误，尽快修正错误，越晚修正错误，其造成的影响越大。 采用什么样的技术和方法可以实现尽早发现错误。尽快修正错误的目标呢?CAE技术为实现这一目标提供了一种强有力的技术保证。图3表示了采用CAE技术与不采用CAE技术的设计、制造流程对比情况。CAE技术的价值就在于可以在产品设计初期，即图纸设计阶段，通过建立基本的有限元分析模型，对所设计的产品进行强度、寿命分析，运动学、动力学仿真，以得到所设计产品的各种性能，从而指导产品设计，有效地提高设计产品的可靠性，缩短设计周期。如在叉车产品的设计中采用CAE技术，在叉车概念设计的同时，进行静态、动态分析，平顺性、操纵稳定性仿真，在设计阶段即可发现设计中存在的缺陷、错误，及时地改进这些缺陷和错误，可以大大地减少样车的制作成本和试验时间。 3.2 CAE在叉车设计制造中的应用 3.2.1 叉车结构强度分析 叉车结构强度是保证叉车安全性、可靠性的重要指标，因此叉车结构强度分析也是CAE技术在叉车工程中应用最广泛的方面。叉车结构强度分析一般都是应用有限元法对叉车的结构进行数值计算。由于叉车是一个非常复杂的结构，大多数的分析计算都是针对叉车的某些重要的部件或总成(例如门架、车架、前后桥等)。进行分析的内容主要包括静力分析、特征值(固有频率)分析以及瞬态动力分析。通过静力分析可以得到结构的应力、位移分布情况，通过这些分布情况可以判断结构在工作载荷作用下是否安全、可靠，结构的哪些部位会产生应力集中，哪些部位强度不够，以便对结构进行改进设计。通过特征值分析可以求得结构的固有频率以及相应的振型。根据固有频率和振型，可以帮助设计人员分析、查找引起结构振动的原因，并进而通过改进结构，避免发生共振。通过瞬态动力分析可以计算叉车结构在动栽荷作用下的应力、位移等物理量的响应情况。例如叉车在以一定速度通过颠簸不平的道路时的应力、位移；叉车在受到冲击栽荷作用时的应力、位移以及这些量随时间和栽荷变化的情况。 3.2.2 冲压覆盖件成形过程的计算机仿真 20世纪80年代后期，随着计算机科技的飞速发展和有限元方法的成熟。在世界叉车工业应用需求的推动下，薄板成形过程的计算机仿真迎来了蓬勃发展的时期，时至今日，仍方兴未艾。十几年来，覆盖件冲压成形仿真分析有了很大发展。国际上众多的叉车生产企业都建有覆盖件成形仿真分析系统。覆盖件成形仿真分析在多方面对这些企业的冲压生产提供有力的支持：在设计工作的早期阶段评价覆盖件及其模具设计、工艺设计的可行性；在试冲试模阶段进行故障分析，解决问题；在批量生产阶段用于缺陷分析，改善覆盖件生产质量，同时可用来调整材料等级，降低成本。叉车冲压覆盖件成形过程的计算机仿真主要包括以下内容：采用弹塑性有限元分析方法和动态显式格式进行大型覆盖件冲压成形过程的计算机仿真研究；分析板坯形状、材料性能、制件形状等因素对回弹的影响；回弹的修正对模具设计的影响；采用动力显式有限元方法及预加栽方式，考虑工序间的几何、变形、应力状态的相关性与继承性，进行大型覆盖件冲压过程的完整工序仿真；考虑回弹对覆盖件成形工艺进行工艺参数优化设计。以回弹结束后的冲压覆盖件形状与理想形状的误差为目标函数，以成形缺陷(如起皱、破裂)的防止和特定工艺条件的限制为约束条件，对坯料尺寸、工艺参数、模具形状、毛坯初始形状、拉延筋几何参数及布局、压边力大小等进行优化设计，以获得最优的工艺参数组合。 3.2.3 整车系统性能仿真 由于叉车是由轮胎、门架、车架、护顶架、前后桥等部件、总成组成的复杂系统，且其工作环境为承载一定的载荷、以一定的速度、加速度在各种道路上进行直线或曲线运动的动力学状态，因此要全面、准确地进行叉车整车性能的计算机仿真是非常困难的。近年来美国工程技术合作公司(eta公司)在ANSYS/LS-DYAN软件平台上二次开发推出的虚拟试验场技术fVIRTuAL PROVING GROUND，简称VPG技术)是汽车CAE技术领域中的一个新发展，它是一个对整车系统性能全面仿真实用软件的代表。VPG是在ANSYS/LS-DYAN软件平台上二次开发推出的，以整车系统为分析对象，考虑系统各类非线性。以标准路面和车速为负荷，对整车系统同时进行结构疲劳、全频率振动噪声分析、数据处理和碰撞历程仿真。VPG有完善和不断扩大的数据库。向用户提供全面的悬挂系统模型、轮胎模型、标准的道路条件和碰撞条件等，这使得分析模型更加方便。分析条件更加标准化。VPG技术能够使产品开发期的仿真汽车样车在标准道路上实验大部分结果，得到样车道路实验结果的“整车性能预测”效果，从而节省研制费用。减少投资风险，缩短产品开发时间，在开发时闻和开发成本方面取得极大的效益，该技术在叉车等工业领域也有较好的应用前景。 3.2.4 叉车结构优化设计 结构优化设计的基本思想是在满足结构正常工作的各项要求的前提下，设计质量最轻(或造价最低)的结构。“以最小的代价，获取最大的利益”，这一思想古已有之。近年来由于计算机技术的发展，有限元法的逐步成熟以及数学规划研究的进展，结构优化设计逐步发展起来，并开始应用于实际工程结构设计中。自20世纪70年代以来，结构优化设计得到了巨大的发展并在实际工程结构设计中发挥出日益巨大的作用和效益。将结构优化设计方法应用于叉车结构，设计满足轻量化要求的叉车结构，这对于提高叉车的动力性、经济性以及降低叉车的生产成本都具有重要的意义。 3.2.5 叉车运动学、动力学仿真 汽车的动力学研究起步于上世纪初期，叉车行业较晚。叉车本身是一个复杂的多体系统集合，外界载荷的作用更加复杂、多变，人、车、环境三位一体的相互作用，致使叉车动力学模型的建立、分析、求解始终是一个难题。基于以往的解决方法，需经过多轮样车试制，反复的道路模拟试验和整车性能试验，不仅花费大量的人力、物力，延长设计周期，而且有些试验因其危险性而难以进行。虚拟样机技术提供了一种应用计算机进行叉车的各种运动学、动力学仿真的方法。 4 结论 在叉车产品的研发中采用CAE技术，在叉车概念设计的同时，进行静态、动态分析，平顺性、操纵稳定性仿真，在设计阶段即可发现设计中存在的缺陷、错误，及时地改进这些缺陷和错误，可以大大地减少样车的制作和试验时间。这项技术在叉车行业的推广应用，必将大大地推动企业的技术进步，提高产品的设计质量，从而产生巨大的经济效益与社会效益。

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